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近日，浙江工业大学设计研究院的研究团队在《IEEE JOURNAL OF TRANSLATIONAL ENGINEERING IN HEALTH AND MEDICINE》上发表了基于混合脑电控制的4自由度外骨骼的新研究。它采用Bowden线驱动，结合基于稳态视觉诱发电位（SSVEP）和运动想象（MI）的混合脑电控制方法，以促进主动康复和提供更多控制命令，为上肢康复注入了新的活力。

1、研究背景

随着人口老龄化的趋势日益明显，中风已成为导致残疾的主要原因之一。尽管中风死亡率有所下降，但中风幸存者所面临的康复挑战却日益严峻。传统的康复方法，如人工治疗或治疗师辅助的练习，在应对不断增长的康复需求时显得力不从心。相比之下，康复外骨骼凭借其高精度传感器和生物医学信号的应用，如惯性测量单元、肌电图信号和脑电图信号等，能够提供更稳定、连续的康复支持，从而实现良好的控制性能和康复效果的跟踪与评估。

然而，传统的刚性外骨骼存在重量大、结构尺寸大等问题，而软体外骨骼则在便携性、安全性和重量方面表现出优势。在与外骨骼相关的研究中，驱动方式的选择至关重要，它决定了外骨骼的硬件特征、重量和便携性。虽然目前的外骨骼在某些方面取得了进展，但在硬件结构尺寸、驱动模块布局、自由度数量和重量等方面仍有改进的空间。

此外，一些康复外骨骼让患者处于被动角色，进行预设的重复运动，这可能限制康复效果。为了克服这一问题，研究人员致力于开发能促进用户积极参与的外骨骼，以提高康复效果。神经可塑性在神经损伤后的恢复中起着关键作用，积极参与康复的患者更能促进神经可塑性。因此，将神经可塑性原则融入康复外骨骼的设计中，是一种积极有益的探索。

2、研究概述

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。

研发的外骨骼旨在实现上肢四个关节（非拇指手指、手腕、肘部和肩部）的康复，同时确保驱动效果。具体目标包括实现主动控制、具备多个自由度、舒适便携且成本低廉。

外骨骼以尼龙衬衫面料为基础载体，由带子模块、Bowden线驱动模块和电子模块三部分组成。带子模块使外骨骼紧密贴合用户，提供尺寸调整空间，同时固定其他结构。Bowden线驱动模块通过参考肌肉位置和方向确定驱动位置和角度，实现四个关节的驱动。电子模块集成了多种硬件，设置在3D打印的盒子中。

图1：用于驱动肘关节的Bowden电缆结构（图片来自原文）

采用混合脑电控制方法，结合SSVEP和MI范式。SSVEP范式用于选择康复运动，MI范式用于识别运动意图。具体来说，在选择步骤中，通过在电脑屏幕上呈现闪烁刺激程序，让受试者注视代表不同康复运动的图像，从而选择运动，SSVEP信号通过MVMD和CCA进行识别。在识别步骤中，受试者根据选择进行MI，CNN - LSTM模型对MI EEG信号进行分类，若判断为右手MI，则将控制命令发送到Bowden线驱动模块执行运动。

图2：基于脑电图的混合控制方法（图片来自原文）

图3：CNN-LSTM模型的具体结构（图片来自原文）

9名健康研究生和3名中度中风幸存者参与实验。受试者佩戴连接到Biosemi采集设备的EEG帽，收集28通道数据。实验要求受试者完成240次试验，包括120次左手MI和120次右手MI。每次试验持续8秒，4秒的MI EEG信号作为输入样本。通过训练CNN - LSTM模型，并与其他方法（CNN、LSTM、CSP + SVM）进行比较，结果表明CNN - LSTM模型在MI分类准确率上具有优势。

受试者佩戴EEG帽和外骨骼，根据闪烁刺激程序的提示完成康复训练任务。每个运动随机出现9次，共完成63个运动，每三个运动后有10秒休息间隔。实验结果显示，平均任务成功率为85.26%±1.95%。

图4：在线控制实验场景（图片来自原文）

12名参与者（9名健康研究生和3名中度中风幸存者）进行可用性评估，使用SUS问卷评估外骨骼的易用性和用户体验，平均SUS评分为81.25±5.82，表明外骨骼具有良好的可用性。4名中风幸存者进行康复评估，在35天的康复训练中，记录肌肉电信号（EMG）和关节活动度（ROM）。结果显示，四个关节的平均ROM增加了10.33%，涉及运动的四个主要肌肉的平均EMG振幅增加了11.35%。

图5：35天康复训练中所有受试者的关节活动度和平均EMG振幅的记录（图片来自原文）

3、研究意义

该外骨骼的4个自由度设计能够让用户更多地参与到康复过程中，模拟人体肌肉骨骼系统的运动，提供更自然、流畅的康复任务，有助于改善康复效果。混合脑电控制方法的应用为康复训练提供了更多的控制命令，促进了用户的主动参与，能够更好地激发患者的积极性，提高康复效果。这项研究充分考虑了神经可塑性原则，将康复理论与康复设备相结合，为基于脑机接口的康复策略和硬件开发提供了新的思路和方法，有望推动康复领域的进一步发展。外骨骼在可用性和康复效果方面的表现，为中风患者的康复带来了新的希望，有助于提高他们的生活质量，减轻家庭和社会的负担。

参考文献：Zhichuan Tang, Zhixuan Cui, Hang Wang, Pengcheng Liu, Member, IEEE, Xuan Xu, Keshuai Yang, “A 4-DOF Exosuit Using a Hybrid EEG-Based Control Approach for Upper-Limb Rehabilitation”, in IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine, (3 September 2024), DOI 10.1109/JTEHM.2024.3454077